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普林斯顿大学的研究人员研究了普通东方大黄蜂，以了解社会隔离如何影响行为和大脑发育。
指南者留学 2022-07-12 14:00:41
阅读量：1544
一项新的研究表明，社会隔离改变了大黄蜂的行为和大脑发育，但并没有以研究人员预期的方式改变。被隔离的大黄蜂通过后来变得更加社交来弥补这一点。
该研究探讨了大黄蜂如何受到关键发育时期社会孤立的影响，大黄蜂在很大程度上取决于其生存的社会本能。
研究人员惊讶地发现，这些孤立的蜜蜂长成了社会蝴蝶，表现出亲和或“友好”行为的增加 - 与他们预测的相反。详细介绍结果的论文于5月17日发表在《当代生物学》上。
该团队由生态学和进化生物学助理教授Sarah Kocher以及Lewis-Sigler综合基因组学研究所领导，对三组大黄蜂进行了一系列测试。一些蜜蜂被隔离，一些留在原来的殖民地（殖民地饲养），一些被安置在一小群蜜蜂（群体饲养）中。
研究小组预计，正如之前在各种生物体中所显示的那样，被社会孤立的大黄蜂将表现出更具侵略性的行为，并且与社会伴侣的互动更少。
“与此相反，我们没有看到大黄蜂的攻击性行为增加，”Kocher实验室的博士后研究员Yan Wang说。“事实上，我们看到关联行为总体上有所增加。
研究大黄蜂的大脑发育可以为有关大脑发育和社会性进化的更广泛问题提供关键见解。
“由于昆虫和脊椎动物共享一个共同的进化祖先，许多相同的分子机制塑造了这两个群体的大脑，”Kocher说。“因此，我们在蜜蜂身上的许多发现也可能延伸到脊椎动物身上。
这就是为什么拥有神经科学博士学位的Wang有兴趣加入这个项目的原因。
“大黄蜂已经成为开发许多用于研究社会性以及脑科学的尖端工具的绝佳候选者，”王说。
另一个令人惊讶的转折是，比较单独饲养的蜜蜂与一组蜜蜂的大脑发育的结果惊人地相似，表明只有少数其他蜜蜂可以与之互动，足以使它们发展出与整个蜂群相同水平的社交技能。
然而，根据Wang的说法，这些分离出的蜜蜂的结果“到处都是”，并且在大脑各个区域的大小和基因表达方面比研究人员预期的要随机得多。
“我们的研究结果表明，在没有这种社会环境的情况下，大脑如何发育存在某种可控的混乱，”王说。
研究人员还确定了六个基因，这些基因在分离的蜜蜂的大脑中与群体和殖民地饲养的蜜蜂不同，其中几个涉及与人类和其他脊椎动物相同的分子机制。
目前，该团队对孤立的大黄蜂的社会性水平提高的主要假设是，他们从未学会如何不对他人做出反应。
“在拥挤的大黄蜂蜂巢中，即使旁边有另一只大黄蜂，你也需要能够继续做你正在做的事情，这是有道理的，”物理学研究生Grace McKenzie-Smith说。“因此，社会发展可能涉及学习何时不对另一只蜜蜂的存在做出反应。
这只是一个假设，要真正了解这一点，就需要更多的研究。
Kocher说，这项研究也为了解蜜蜂和其他传粉媒介如何受到气候变化的影响开辟了一条道路。
“环境的变化，社会或其他方面，都会对行为产生令人惊讶的影响，”Kocher说。“更大的框架是了解意想不到的环境变化如何塑造行为，以及这如何影响传粉媒介对气候变化的反应。
来自运动映射软件的协助
弄清楚如何在一个狭小的实验室里单独容纳300多只蜜蜂是一个挑战，团队在找到一个可行的设置之前，经历了多次反复试验和错误。他们最终得到的是一个结构，研究人员开始称之为蜜蜂酒店。
每只大黄蜂都被安置在自己的私人空间里——一个堆叠在一起的其他小盒子中的一个小盒子。该结构使每只蜜蜂或一小群蜜蜂免受其他居民可能发出的视觉，声音，气味或振动信号引起的任何干扰。
研究人员将大黄蜂单独放入小盘子中，并在隔离后成对放置，以分析它们的行为。他们在红外光下观察大黄蜂，蜜蜂看不到。
摄影：Sameer A. Khan/Fotobuddy
经过精心安排的九天住宿后，该团队开始收集所有三类蜜蜂的数据。
他们进行了测试，分析了蜜蜂大脑各个区域的基因表达和物理大小，并将蜜蜂放置在培养皿中，以单独和成对地监测它们的行为。
由于普林斯顿大学开发了一种名为SLEAP（Social LEAP估计动物姿势）的革命性新姿势跟踪软件，研究人员能够定量分析蜜蜂的行为。
“如果没有SLEAP，我们将不得不手工完成所有分析，”McKenzie-Smith说，他负责该项目的大部分数据分析。“当你这样做的时候，你引入了很多人类的偏见。
该软件是普林斯顿大学教授Joshua Shaevitz（物理学教授，Lewis-Sigler Integrative Genomics研究所）和神经科学教授Mala Murthy团队合作创建的，其工作方式是首先让研究人员将视频馈送到它应该跟踪的动物的软件中。然后，它使用人工智能来识别各种身体部位，并为每个身体部位提供逐帧像素坐标。
在蜜蜂的身体部位被识别出来后，研究人员使用名为Motion Mapper的软件，这是Shaevitz和Murthy合作的早期开发，从身体部位位置提取动态信息。这种技术使它们不仅可以了解蜜蜂四肢的位置，还可以了解蜜蜂如何移动。
“能够拍摄原始视频并在以后人工标记不同的身体部位，使这个工具非常通用，在社交，多动物的背景下，我们真的非常令人兴奋，”王说。
需要思考的问题
研究人员在使用这项技术时观察到的附属行为的一个例子是蜜蜂在彼此的头部和身体上摩擦触角，这种活动称为天线。
“在蜂群中长大的蜜蜂通常会在这种面对面的定向中花费大量时间，”Kocher说。“这是一个非常重要的化学线索。当它们触摸触角时，它们实际上是在来回传递化学信息，这样它们就可以知道蚁群中的其他人是谁。
被隔离的蜜蜂，当被重新引入另一只蜜蜂时，这样做的频率远远高于整个社会群体中饲养的蜜蜂。他们以一种不寻常的方式做到了这一点，在他们如何相互接触方面有更多的变化。
“你可以想到的一种方式是想象你来和我握手，但我没有和你的手握手，而是试图握住你的膝盖，”科赫说。“对于具有社交经验的蜜蜂来说，这并不是一种有意义的社交互动。所以我认为这是这项研究中得出的一个非常有趣的见解。
从SLEAP获得的行为数据，以及对蜜蜂基因表达和大脑发育的分析，得出了令人惊讶的答案，给Kocher留下了很多值得思考的问题。
由于隔离而增加的社交互动在社会昆虫中很常见吗？这种增长是由于缺乏学习如何回应社会伙伴，还是因为蜜蜂从未学会如何避免负面互动？在发育的九天期间，这些变化何时发生，这些变化是永久性的吗？它们是可逆的吗？
所有这些都是这个项目提出的问题，Kocher认为可能值得进一步探索。
“我感兴趣的一件事就是类似的实验，但在蜂巢中，”McKenzie-Smith说。“大黄蜂蜂箱具有复杂的3D结构，这使得成像它们变得非常困难，但现在计算机实验室正在使用一些技术可以解决这个问题。
根据McKenzie-Smith的说法，像这样的项目可能是有价值的，以便了解大黄蜂的社会行为如何在大黄蜂中更自然地发展，以及它如何在它们的一生中发展。
该研究由Z. Yan Wang，Grace C. McKenzie-Smith，Weijie Liu，Hyo Jin Cho，Talmo Pereira，Zahra Dhanerawala，Joshua W. Shaevitz和Sarah D. Kocher于2022年5月17日发表在《当代生物学》（第32卷，第12期）杂志上，https://doi.org/10.1016/j.cub.2022.04.066。
这项工作得到了美国国立卫生研究院（NIH）拨款NIH R01 NS10489，U19 NS104648和1DP2GM137424-01，普林斯顿催化倡议和Lewis-Sigler综合基因组学研究所的支持。这项工作也得到了美国国家科学基金会通过生物功能物理中心（PHY-1734030）的部分支持。
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